专利名称：滑变电阻式车辆姿态检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种载运工具姿态检测装置，尤其是汽车运行姿态检测装置。
背景技术：
汽车在运行的过程中，可能发生车祸导致车辆发生翻转，通常需要对车辆的姿态 进行分析，特别是针对危险品运输车辆发生事故的情况。目前，对载运工具姿态检测一般采 用陀螺仪对车辆前倾和横滚进行测量，得到车辆的前倾角和横滚角。虽然方法很好，但是测 量车辆前倾和横滚用不了那么大的精度，不够经济实惠。 目前有专利采用计数方式来测量旋转角，但是由于汽车颠簸的时候，仪器是不断 摆动的，给计数带来困难，在旋转连续计数和小角度Z摇摆时计数可能相同，从而导致误 差，需要设计复杂的编码才能避免这种错误。另有通过电磁力与游丝力矩平衡方式来测量 电流方式来测量偏角，这种方式对全360度旋转方式不合适，并且对震动环境下，测量结果 不可靠。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的滑变电阻式车辆姿态检测装置，它能够测量 载运工具姿态。 为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为滑变电阻式车辆姿态检测装置， 它包括偏心轮式滑变电阻、与偏心轮式滑变电阻并联的A/D转换测量电路、数据处理模块、 电源模块和触发模块，电源模块提供电源，触发模块控制电源模块，A/D转换测量电路测量 偏心轮式滑变电阻的可变电压值，并转换为电压数字信号，数据处理模块接收A/D转换测 量电路输出的电压数字信号，通过电压数值与偏心轮式滑变电阻的电阻环的有效电阻的关 系和电阻环的有效电阻与偏心轮的偏转角度之间的关系，得出车辆的倾度。
偏心轮式滑变电阻由偏心轮基座5、旋转轴7、偏心轮8、电阻环1 、导电环3、断电导 电环2、电刷4和接线柱6组成；旋转轴7由两个偏心轮基座5支撑，偏心轮8、电阻环1、导 电环3和断电导电环2均固定在旋转轴7上，电阻环1、导电环3和断电导电环2与旋转轴 7之间分别设有绝缘环；电阻环1、导电环3和断电导电环2分别通过电刷4与对应的接线 柱6相联接，其中导电环3对应的接线柱与断电导电环2对应的接线柱通过导线相联接，导 电环3与电阻环1通过导线相联接且输出端为c点；所述的电阻环1由薄膜电阻或者由电 阻丝缠绕而成的大半圆环，且大半圆环的圆心角为(360-2 a 。)° ，其中a。为车辆正常倾斜 角的最大值；电阻环1的两端内侧设有导线接线柱9，其中一个导线接线柱9与c点连接， 电阻环1的两端外侧均设有第一绝缘突起柱IO，起始状态时，两个第一绝缘突起柱10与对 应的电刷接触；所述的导电环3为光滑完整的金属环；所述的断电导电环2由光滑完整的 金属环、设置在环外侧的两个第二绝缘突起柱11组成，其中两个第二绝缘突起柱11与断电 导电环2的金属环的圆心形成的圆心角为(360-2a。)° ，断电导电环2上的导线接线柱为 a点；电阻环1对应的接线柱6的接线点为b点。
触发模块为继电器K ;电源模块由直流电源E、稳压二极管VD、稳压电容C和负载 Rf组成，负载Rf与电阻环的有效电阻Rx串联后与稳压二极管VD和稳压电容C并联；开关 k为断电导电环2，开关k的一端与c点相连，开关k的另一端与a点相连；a点与电源模块 的直流电源的正极连接，电源模块的直流电源的负极与继电器K的K2端连接，继电器K的 &端与c点相连；稳压二极管VD的阴极、稳压电容C的一端、负载Rf的一端分别与继电器 K的K3端相连；稳压二极管VD的阳极、稳压电容C的另一端分别与c点相连。
数据处理模块为单片机。 偏心轮式滑变电阻由偏心轮基座5、旋转轴7、偏心轮8、电阻环1、电刷4和接线柱 6组成；旋转轴7由两个偏心轮基座5支撑；偏心轮8、电阻环1均固定在旋转轴7上，电阻 环1与旋转轴7之间设有绝缘环；电阻环1通过电刷4与对应的接线柱6相联接，电阻环1 的一个接线柱与第一个偏心轮基座5的接线柱相连且输出端为a点，电阻环1的另一个接 线柱与第二个偏心轮基座5的接线柱相连且输出端为c点；电阻环1通过电刷与对应的接 线柱6连接且输出端为b点。 本发明的工作过程及其利用的部分原理是由于车辆在倾斜的过程中，偏心轮在 重力的带动下克服支撑架的摩擦力和其他阻力自由悬摆，改变电刷与电阻环的相对位置， 导致有效电阻的改变，通过A/D转换测量电路测量偏心轮式滑变电阻的电压并转换成数字 信号，又通过数据处理模块将数字信号并将其转换为电压数值，通过电压数值与电阻环的 有效电阻的关系和电阻环的有效电阻与偏心轮的偏转角度即车辆的倾角之间的关系，得出 车辆的倾度。 通过数据处理模块将电阻环的有效电阻按照如下公式计算 ^-"^T，其中，Rx为电阻环接入电路的有效电阻，V,为有效电阻部分的电压， Rf为控制量程而设的负载，VE为直流电源电压。 通过将Rx与电阻环的总电阻值R。比较，由于电阻环上的电阻是均匀分布，所以Rx 与偏心轮旋转的角度a呈线性关系，很明显车辆的倾角9 = a，即
Rx = ( 9 - a0)R0/2 Ji ， 其中a。是车辆正常倾斜角的最大值，通过绝缘突起柱来保证。Ro是电阻环的总 电阻值。如果需要在360。范围内进行测量，可以取消绝缘突起，a。 = 0° 。
与现有技术相比，本发明的有益效果为1、能够准确测量载运工具姿态；2、成本 低，易操作；3、磨损小，使用寿命长。
图1为本发明实施例1的原理框图。 图2为本发明实施例1的电路原理图。 图3为实施例1的偏心轮式滑变电阻的结构图。 图4为实施例1的电阻环的结构图。 图5为实施例1的断电导电环的结构图。 图6为实施例1的绝缘突起柱的角度示意图。 图7为实施例1滑变电阻的电阻值与车辆的倾角的对应关系图。
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图8为本发明实施例2的偏心轮式滑变电阻的结构图。
图9为本发明实施例2的旋转轴的结构示意图。
图10为本发明实施例2的电路原理图。
具体实施方式
实施例1 : 如图1、图2所示，滑变电阻式车辆姿态检测装置，它包括偏心轮式滑变电阻、与偏 心轮式滑变电阻并联的A/D转换测量电路、数据处理模块、电源模块和触发模块，电源模块 提供电源，触发模块控制电源模块，A/D转换测量电路测量偏心轮式滑变电阻的可变电压 值，并转换为电压数字信号，数据处理模块接收A/D转换测量电路输出的电压数字信号，通 过电压数值与偏心轮式滑变电阻的电阻环的有效电阻的关系和电阻环的有效电阻与偏心 轮的偏转角度(即车辆的倾角)之间的关系，得出车辆的倾度。 如图3所示，偏心轮式滑变电阻由偏心轮基座5、旋转轴7、偏心轮8、电阻环1、导 电环3、断电导电环2、电刷4和接线柱6组成；旋转轴7由两个偏心轮基座5支撑[旋转轴 7能旋转；本实施例采用两个偏心轮基座5上均设有旋转轴孔，且两个旋转轴孔的轴线位 于同一水平面上，旋转轴7的两端部均为锥体，旋转轴7的两端部分别对应插入两个偏心轮 基座5上的旋转轴孔中；还可采用旋转轴7的两端部分别由轴承与偏心轮基座5相连；还可
采用偏心轮基座5上均设有旋转轴槽，旋转轴7的两端部分别搁置在旋转轴槽内；等等]，
偏心轮8、电阻环1、导电环3和断电导电环2均固定在旋转轴7上，电阻环1、导电环3和断 电导电环2与旋转轴7之间分别设有绝缘环(即电阻环1、导电环3和断电导电环2与旋转 轴7之间是绝缘的)；电阻环1、导电环3和断电导电环2分别通过电刷4与对应的接线柱 6相联接，其中导电环3对应的接线柱与断电导电环2对应的接线柱通过导线相联接，导电 环3与电阻环1通过导线相联接且输出端为c点； 所述的电阻环1由薄膜电阻或者由电阻丝缠绕而成的大半圆环，且大半圆环的圆 心角为(360-2a。)° ，如图6所示，其中a 。为车辆正常倾斜角的最大值；电阻环1的两端 内侧设有导线接线柱9，其中一个导线接线柱9与c点连接(电阻环1上一端导线接线柱与 导电环3上任一点通过导线相联接)，电阻环1的两端外侧均设有第一绝缘突起柱IO(如图 4所示)，起始状态时，两个第一绝缘突起柱10与对应的电刷接触；
所述的导电环3为光滑完整的金属环； 所述的断电导电环2由光滑完整的金属环、设置在环外侧的两个第二绝缘突起柱
11组成(如图5所示)，其中两个第二绝缘突起柱11与断电导电环2的金属环的圆心形成
的圆心角为(360-2 a 。)° ，断电导电环2上的导线接线柱为a点； 电阻环1对应的接线柱6的接线点为b点； 所述的电阻环1的有效电阻的电压为b点与c点之间的电压。 偏心轮式滑变电阻的电阻环的有效电阻为Rx。 如图2所示，触发模块为继电器K ;电源模块由直流电源E、稳压二极管VD、稳压电 容C和负载Rf组成，负载Rf与电阻环的有效电阻Rx串联后与稳压二极管VD和稳压电容C 并联；开关k为断电导电环2，开关k的一端与c点相连，开关k的另一端与a点相连；a点 与电源模块的直流电源的正极连接，电源模块的直流电源的负极与继电器K的K2端连接，
5继电器K的&端与c点相连；稳压二极管VD的阴极、稳压电容C的一端、负载Rf的一端分 别与继电器K的K3端相连；稳压二极管VD的阳极、稳压电容C的另一端分别与c点相连。
当断电导电环的电刷未被绝缘突起柱抬起，即开关k导通，继电器K的&端与K2 端相导通，继电器K、开关k和直流电源E构成的回路导通，从而使继电器K的K2端与K3端 导通，触发直流电源与电阻环的有效电阻和负载形成回路。 A/D转换测量电路是在电阻环上加载一个电压测试芯片组(A/D转换测量电路与 偏心轮式滑变电阻的b点、c点并相连)，将b点与c点之间的电压经过A/D转换和数字化 后输出(A/D转换测量电路采用现有公知技术)。
数据处理模块由单片机实现。 稳压电容C是给直流电源E供电用的滤波电路，防止电刷与电阻环和导电环在摩 擦的过程中产生的电路冲击；稳压二极管VD提供稳定精确的电压，保证测量电阻环有效电 阻的电压与负载Rf的电压分配准确性，还可以避免输入电压过高而损坏单片机。
本装置的工作过程为，将本装置固定在一个盒子中水平固定在车体上，初始状态 时，偏心轮受重力作用自然垂直，电阻环、断电导电环的电刷均被绝缘突起柱抬起，断电导 电环处于断开状态，本装置不工作；当车辆姿态发生变化时，偏心轮自由悬摆，当车辆的倾 角e小于或等于车辆正常倾斜角的最大值a。时，电阻环、断电导电环的电刷依然被绝缘 突起柱抬起，即开关k处于断开状态，继电器不工作；当车辆的倾角e大于车辆正常倾斜角 的最大值a。时，断电导电环的电刷与导电部分接触，k闭合，继电器工作，A/D转换测量电 路测量b点与c点之间的电压，经过A/D转换和数字化后输出给单片机。
通过单片机将电阻环的有效电阻按照如下公式计算<formula>formula see original document page 6</formula>其中，R,为电阻环接入电路的有效电阻，V,为有效电阻部分的电压， Rf为控制量程而设的负载，VE为直流电源电压。 通过将Rx与电阻环的总电阻值R。比较，由于电阻环上的电阻是均匀分布，所以Rx 与偏心轮旋转的角度a呈线性关系，很明显车辆的倾角9 = a，即
<formula>formula see original document page 6</formula>
如图7所示，其中a 。是车辆正常倾斜角的最大值，通过绝缘突起柱来保证；R。是 电阻环的总电阻值。如果需要在360。范围内进行测量，可以取消绝缘突起，a。 = 0° 。
实施例2 : 与实施例l基本相同，不同之处在于偏心轮式滑变电阻的结构有所不同(注还有 开关k不同)。如图8所示偏心轮式滑变电阻由偏心轮基座5、旋转轴7、偏心轮8、电阻环 1、电刷4和接线柱6组成；旋转轴7由两个偏心轮基座5支撑(同实施例l，两个偏心轮基 座5上均设有旋转轴孔，且两个旋转轴孔的轴线位于同一水平面上)；偏心轮8、电阻环1均 固定在旋转轴7上，电阻环1与旋转轴7之间设有绝缘环。电阻环1通过电刷4与对应的 接线柱6相联接，电阻环1的一个接线柱与第一个偏心轮基座5的接线柱相连且输出端为 a点，电阻环1的另一个接线柱与第二个偏心轮基座5的接线柱相连且输出端为c点；电阻 环1通过电刷与对应的接线柱6连接且输出端为b点。 如图9所示旋转轴7还可为一两锥绝缘轴；由一个凸起的锥轴7-l和一个凹进的 锥轴7-2通过一个绝缘材料套7-3连接。两个锥轴分别插入偏心轮基座5的两个旋转轴孔内。 所述的电阻环l由光滑均匀的电阻环、设置在环外侧的两个第二绝缘突起柱 11组成(如图5所示)，其中两个第二绝缘突起柱11与电阻环的圆心形成的圆心角为 (360-2 a 0)° 。 如图10所示，电源模块由直流电源E、稳压二极管VD、稳压电容C和负载Rf组成， 触发模块为继电器K ;负载Rf与电阻环的有效电阻Rx串联后与稳压二极管VD和稳压电容
C并联；电阻环1的第二绝缘凸起11即为图中的开关k(不同点开关k不是实施例1中的
断电导电环2)，当电阻环1上的电刷未被绝缘突起柱抬起，即开关k导通，继电器K的&端 与K2端相导通，继电器K、开关k和直流电源E构成的回路导通，从而使继电器K的K2端与 &端导通，触发直流电源与电阻环的有效电阻和负载形成回路。 A/D转换测量电路在电阻环上加载一个电压测试芯片组，将b点与c点之间的电压 经过A/D转换和数字化后输出。 稳压电容C是给电源E供电用的滤波电路，防止电刷与电阻环和导电环在摩擦的 过程中产生的电路冲击；稳压二极管VD提供稳定精确的电压，保证测量电阻环有效电阻的 电压与负载Rf的电压分配准确性，还可以避免输入电压过高而损坏单片机。
本装置的工作过程为，将本装置固定在一个盒子中水平固定在车体上，初始状态 时，偏心轮受重力作用自然垂直，电阻环的电刷被绝缘突起柱抬起，本装置不工作；当车辆 姿态发生变化时，偏心轮自由悬摆，当车辆的倾角e小于或等于车辆正常倾斜角的最大值 a 。时，电阻环的电刷依然被绝缘突起柱抬起，即开关k处于断开状态，继电器不工作；当车 辆的倾角9大于车辆正常倾斜角的最大值a。时，电阻环的电刷与导电部分接触，k闭合， 继电器工作，A/D转换测量电路测量b点与c点之间的电压，经过A/D转换和数字化后输出 给单片机。 通过单片机将电阻环的有效电阻按照如下公式计算 7^=^^，其中，Rx为电阻环接入电路的有效电阻，l为有效电阻部分的电压， Rf为控制量程而设的负载，VE为直流电源电压。 通过将Rx与电阻环的总电阻值R。比较，由于电阻环上的电阻是均匀分布，所以Rx 与偏心轮旋转的角度a呈线性关系，很明显车辆的倾角9 = a，即
Rx = ( 9 _ a o) R0/2 Ji 如图8所示，其中a 。是车辆正常倾斜角的最大值，通过绝缘突起柱来保证；R。是 电阻环的总电阻值。如果需要在360。范围内进行测量，可以取消绝缘突起，a。 = 0° 。
权利要求
滑变电阻式车辆姿态检测装置，它包括偏心轮式滑变电阻、与偏心轮式滑变电阻并联的A/D转换测量电路、数据处理模块、电源模块和触发模块，电源模块提供电源，触发模块控制电源模块，A/D转换测量电路测量偏心轮式滑变电阻的可变电压值，并转换为电压数字信号，数据处理模块接收A/D转换测量电路输出的电压数字信号，通过电压数值与偏心轮式滑变电阻的电阻环的有效电阻的关系和电阻环的有效电阻与偏心轮的偏转角度之间的关系，得出车辆的倾度。
2. 根据权利要求1所述的滑变电阻式车辆姿态检测装置，其特征在于偏心轮式滑变 电阻由偏心轮基座(5)、旋转轴(7)、偏心轮(8)、电阻环(1)、导电环(3)、断电导电环(2)、 电刷(4)和接线柱(6)组成；旋转轴(7)由两个偏心轮基座(5)支撑，偏心轮(8)、电阻环 (1)、导电环(3)和断电导电环(2)均固定在旋转轴(7)上，电阻环(1)、导电环(3)和断电 导电环(2)与旋转轴(7)之间分别设有绝缘环；电阻环(1)、导电环(3)和断电导电环(2) 分别通过电刷(4)与对应的接线柱(6)相联接，其中导电环(3)对应的接线柱与断电导电 环(2)对应的接线柱通过导线相联接，导电环(3)与电阻环(1)通过导线相联接且输出端 为c点；所述的电阻环(1)由薄膜电阻或者由电阻丝缠绕而成的大半圆环，且大半圆环的圆 心角为(360-2a。)° ，其中a。为车辆正常倾斜角的最大值；电阻环(1)的两端内侧设有导 线接线柱(9)，其中一个导线接线柱(9)与c点连接，电阻环(1)的两端外侧均设有第一绝 缘突起柱(IO)，起始状态时，两个第一绝缘突起柱(10)与对应的电刷接触；所述的导电环 (3)为光滑完整的金属环；所述的断电导电环(2)由光滑完整的金属环、设置在环外侧的两 个第二绝缘突起柱(11)组成，其中两个第二绝缘突起柱(11)与断电导电环(2)的金属环 的圆心形成的圆心角为(360-2a。)° ，断电导电环(2)上的导线接线柱为a点；电阻环(1) 对应的接线柱(6)的接线点为b点；所述的电阻环(1)的有效电阻的电压为b点与c点之 间的电压。
3. 根据权利要求1所述的滑变电阻式车辆姿态检测装置，其特征在于触发模块为继电器(K);电源模块由直流电源(E)、稳压二极管(VD)、稳压电容(C)和负载(Rf)组成，负载(Rf)与电阻环的有效电阻(Rx)串联后与稳压二极管(VD)和稳压电容(C)并联；开关(k) 为断电导电环(2)，开关(k)的一端与c点相连，开关(k)的另一端与a点相连；a点与电源 模块的直流电源的正极连接，电源模块的直流电源的负极与继电器(K)的1(2端连接，继电 器(K)的&端与c点相连；稳压二极管(VD)的阴极、稳压电容(C)的一端、负载(Rf)的一 端分别与继电器(K)的1(3端相连；稳压二极管(VD)的阳极、稳压电容(C)的另一端分别与 c点相连。
4. 根据权利要求1所述的滑变电阻式车辆姿态检测装置，其特征在于数据处理模块 为单片机。
5. 根据权利要求1所述的滑变电阻式车辆姿态检测装置，其特征在于偏心轮式滑变电阻由偏心轮基座(5)、旋转轴(7)、偏心轮(8)、电阻环(1)、电刷(4)和接线柱(6)组成； 旋转轴(7)由两个偏心轮基座(5)支撑；偏心轮(8)、电阻环(1)均固定在旋转轴(7)上， 电阻环(1)与旋转轴(7)之间设有绝缘环；电阻环(1)通过电刷(4)与对应的接线柱(6) 相联接，电阻环(1)的一个接线柱与第一个偏心轮基座(5)的接线柱相连且输出端为a点， 电阻环(1)的另一个接线柱与第二个偏心轮基座(5)的接线柱相连且输出端为c点；电阻 环(1)通过电刷与对应的接线柱(6)连接且输出端为b点。
全文摘要
本发明涉及一种载运工具姿态检测装置，尤其是汽车运行姿态检测装置。滑变电阻式车辆姿态检测装置，它包括偏心轮式滑变电阻、与偏心轮式滑变电阻并联的A/D转换测量电路、数据处理模块、电源模块和触发模块，电源模块提供电源，触发模块控制电源模块，A/D转换测量电路测量偏心轮式滑变电阻的可变电压值，并转换为电压数字信号，数据处理模块接收A/D转换测量电路输出的电压数字信号，通过电压数值与偏心轮式滑变电阻的电阻环的有效电阻的关系和电阻环的有效电阻与偏心轮的偏转角度之间的关系，得出车辆的倾度。本发明能够准确测量载运工具姿态，并具有成本低的特点。
文档编号G01B7/30GK101782365SQ201010111318
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者严新平, 吕植勇, 彭琦, 汪国兴, 熊迹, 程志端, 陈超, 马定国 申请人:武汉理工大学